JP2000065881A

JP2000065881A - 電力変換器の故障モニタ装置

Info

Publication number: JP2000065881A
Application number: JP10238104A
Authority: JP
Inventors: Mutsuhiro Terunuma; 照沼　　睦弘; Eiichi Toyoda; 豊田　　瑛一; Hisahiro Ikeda; 尚弘池田; Hideo Sakuyama; 秀夫作山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-08-25
Filing date: 1998-08-25
Publication date: 2000-03-03

Abstract

(57)【要約】【課題】マイクロコンピュータの演算数を低減し、モニ
タ用メモリ容量の低減を図ると共に、ゲートパルスとグ
リッジの発生を正確に再生し、スイッチング素子の故障
原因の追跡時間を大幅に短縮させることにある。【解決手段】エッジを検出時のゲートパルスデータとそ
の時刻データ、及び電力変換器の電流，電圧，故障検知
信号等のその他のモニタデータと、その検出時刻データ
とを格納するモニタメモリと、モニタ再生時に前記各デ
ータと各時刻データをリンクさせるアドレスを管理する
アドレスカウンタと、これらの動作を制御するマイクロ
コンピュータを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流を交流に、ま
たは、交流を直流に変換する電力変換器のゲートパルス
の誤点弧等に基づく故障をモニタリングする電力変換器
の故障モニタ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、複数のスイッチング素子を各々所
定のゲートパルスにより駆動して、直流に、または、交
流を直流に変換する電力変換器に使用されるスイッチン
グ素子として、ＩＧＢＴのような高速スイッチング素子
が採用される傾向にある。一般に、スイッチング素子の
ゲート破壊の要因であるゲートパルスの誤点弧は、数１
０μｓ以下のグリッジによるケースが多い。

【０００３】しかし、従来のゲートパルスのモニタとし
ては、図７に示すように、サンプリング周期２５０μｓ
程度の一定周期でサンプリングする方式である。図７
は、ゲートパルス１とゲートパルス２のサンプリング
と、このサンプリング結果をモニタ再生したゲートパル
ス１とゲートパルス２を示す。

【０００４】この場合、各サンプリング時刻（○印）の
間に、図７に示すような数１０μｓ以下のグリッジが発
生した時、このグリッジはサンプリング時刻の位置に存
在していないため、モニタ再生時にこのグリッジを確認
できない不具合があった。実際、ＩＧＢＴのような高速
スイッチング素子のゲートパルスを、グリッジの発生も
含めてモニタするには、数μｓでのサンプリングが必要
であるが、マイクロコンピュータの演算能力やサンプリ
ングデータの収集量（メモリ容量）を考慮すると、サン
プリング周期としては現状の２５０μｓ程度が限界であ
る。

【０００５】以上の問題は、スイッチング素子の高速化
が進むにつれて顕著になり、ゲート破壊の原因断定及び
対策に時間を費やすことになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
２５０μｓ程度のサンプリング周期での一定周期サンプ
リング方式によるゲートパルスの故障モニタリングで
は、数１０μｓ以下のグリッジによるゲートパルスの誤
点弧によってゲート破壊故障が起きた場合、モニタデー
タからグリッジの発生を確認できない、という欠点があ
った。また、サンプリング周期を小さくすることは、マ
イクロコンピュータの演算能力と収集データのメモリ容
量の制約を受けていた。

【０００７】本発明の課題は、上記事情に鑑み、マイク
ロコンピュータの演算数を低減し、モニタ用メモリ容量
の低減を図ると共に、ゲートパルスとグリッジの発生を
正確に再生し、スイッチング素子の故障原因の追跡時間
を大幅に短縮させることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題は、ゲートパル
スの立上がり，立下がりの変化点（エッジ）を検出し、
エッジ検出時のゲートパルスのオン・オフ状態とその時
の時刻データ及びその他のモニタデータ（電力変換器の
直流入力電流または電圧もしくは出力電流等のモニタ信
号及び故障検知信号）とそれらの信号を検出した時の時
刻データとをそれぞれ所定区間だけモニタデータとして
順次メモリに格納し、故障事故が起きた際にモニタデー
タの更新を停止し、前記モニタデータを再生させること
によって、解決される。

【０００９】また、一定周期のパルスを出力するクロッ
ク発生器と、前記クロックのタイミングに基づいて前サ
ンプリング時刻のゲートパルスデータと、現サンプリン
グ時刻のゲートパルスデータを保持する二つのラッチ
と、この二つのラッチの出力を比較し、前記ゲートパル
スの立上がり，立下がりの変化点（エッジ）を検出する
コンパレータと、エッジ検出時の時刻データを生成する
時刻カウンタと、前記コンパレータが前記ゲートパルス
のエッジを検出した時のゲートパルスデータと時刻デー
タ及びその他のモニタデータ（電力変換器の直流入力電
流または電圧もしくは出力電流等のモニタ信号及び故障
検知信号）と、それらその他のモニタデータを検出した
時の前記時刻カウンタの時刻データを格納するモニタメ
モリと、モニタ再生時に前記ゲートパルスデータと、時
刻データ及びその他のモニタデータと時刻データをリン
クさせるアドレスを管理するアドレスカウンタと、これ
らの動作を制御するマイクロコンピュータを有すること
によって、解決される。

【００１０】本発明は、ゲートパルスの変化点（エッ
ジ）でのみサンプリングしてモニタデータとすることに
より、マイコンの演算数を低減し、メモリ容量の低減を
図ることができる。また、ゲートパルスデータとその他
のモニタ信号とも各サンプリング時の時刻データをモニ
タデータとしてメモリに格納することにより、各サンプ
リングの時間的な相対位置が明確になり、ゲートパルス
とその他のモニタデータを正確にモニタすることができ
る。従って、例えば数１０μｓ以下のグリッジの発生の
有無が明確になり、他のモニタ信号の異常現象波形から
スイッチング素子等の故障原因がグリッジによるものか
否かを明確にかつ速やかに判別できるようになり、故障
原因の追跡時間を大幅に短縮することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施形態であり、交流
誘導モータを駆動する電力変換器（インバータ）の故障
モニタ装置を示す。なお、対象とする電力変換器は、静
止形のインバータ（ＳＩＶ）や交流を直流に変換するコ
ンバータであってもよい。図１において、電力変換器
は、三相の場合、直流電源６の間に直列接続した二つの
スイッチング素子（ＩＧＢＴ等のスイッチング素子）４
を三相分として、各相のスイッチング素子４の直列接続
先から負荷となる交流誘導モータ５に接続する。

【００１３】各々のスイッチング素子４のＰＷＭ生成部
２から出力されるＰＷＭ変調信号（電圧の大きさは同じ
で時間幅が異なるパルス）をゲートドライブ３に入力
し、ゲートドライブ３からのゲート信号をスイッチング
素子４のゲートに印加する。本実施形態の故障モニタ装
置１には、ゲートパルス信号及び電力変換器の直流入力
電流（または電圧）もしくは出力電流等のモニタ信号と
故障検知信号を入力する。図１では、便宜上、一つのス
イッチング素子に関しての故障モニタ装置についてしか
記載していないが、当然ながら全素子について行うこと
は勿論である。次に、故障モニタ装置１の詳細について
説明する。図２は、その故障モニタ装置１のハードウェ
アのブロック図を示す。図２において、１１，１２はラ
ッチ、１３はコンパレータ、１４はクロック発生器、１
５はモニタスタート／ストップレジスタ、１６はページ
レジスタ、１７はアドレスレコーダ、１８はアドレスカ
ウンタ、１９は時刻カウンタ、２０はモニタメモリ、２
１はマイクロコンピュータである。太線はアドレス，デ
ータバス、細線は制御信号ラインを示す。

【００１４】モニタメモリ２０は、図３のようにハード
ウェアが書き込むエリア（ページ）と、ソフトウェアが
書き込むエリア（ページ）からなる。図３において、ハ
ードウェアが書き込むエリアとして、ページ１〜７を示
し、各ページ１毎に１回目ハードデータ〜７回目ハード
データを書き込む。ここで、各ページのアドレス(１)〜
（８）には、それぞれ時刻データ（１)〜(８）とゲート
パルスデータ（１）〜(８）を書き込む。

【００１５】また、ソフトウェアが書き込むエリアとし
て、ページ８を示し、このページには１回目〜７回目故
障ソフトデータと管理データのエリアがあり、それぞれ
の故障ソフトデータとしてアドレスカウンタデータ
（１)〜(４）と電流、電圧，故障信号データ（１)〜
(４）とこれらソフトデータを検出した時の前記時刻カ
ウンタの時刻データ（１１)〜(４４）を書き込み、管理
データとして故障発生時のソフトウェアデータのアドレ
スカウンタ値，故障発生時のハードウェアデータのアド
レスカウンタ値，故障発生時刻データを書き込む。

【００１６】続いて、動作を説明する。マイクロコンピ
ュータ２１がモニタメモリ２０にモニタデータを書き込
むページ（ページアドレス）を設定してから所定のアド
レスにアクセスし、アドレスデコーダ１７からモニタス
タート／ストップレジスタ１５に信号を出力すると、モ
ニタスタート／ストップレジスタ１５はモニタスタート
信号を出力する。

【００１７】一方、クロック発生器１４からはラッチ１
１，１２に対して、モニタするゲートパルス幅より十分
短い周期（本例では、ＩＧＢＴのスイッチング周波数が
数ｋＨｚに対してクロック周波数は１.２５ＭＨｚとす
る。）のクロックパルスを出力する。ラッチ１１は現サ
ンプリング時刻のパルスデータ（オン・オフ状態）を、
ラッチ１２は前サンプリング時刻のパルスデータ（オン
・オフ状態）をそれぞれ保持し、両者の出力はコンパレ
ータ１３に入力する。

【００１８】コンパレータ１３は両者の値を比較し、値
が一致した時は何も出力せず、モニタを続ける。値が一
致しない時は、アドレスカウンタ１８を作動させ、（ペ
ージアドレス＋アドレスカウンタ値）番地にラッチ１１
の出力（現サンプリング時刻のゲートパルスデータ）
と、その時の時刻カウンタ１９が出力する時刻データ
（相対時刻）を、図３に示すように、格納した後、再び
モニタを続ける。ここで、故障検知がない場合、前に書
かれたデータは上書きされる。

【００１９】一方、各種モニタ信号（電流・電圧等）及
び故障検知信号は、マイクロコンピュータ２１（ソフト
ウェア）により一定周期（クロック発生器１４の周期よ
りも十分長い時間、本例では２００μｓ）でサンプリン
グする。この時のソフトウェアの動作を図４のフローチ
ャートに示す。ソフトウェアは、前述のようにページア
ドレスを設定し、ハードウェアのモニタを開始した後、
まず、故障検知がない場合は、１回目故障ソフトデータ
として、各サンプリング時にその時のアドレスカウンタ
値（１)〜(４）と、各種モニタ信号（アナログ）（電
流，電圧等）と、故障検知信号（ディジタル）（１)〜
(４）及びその時の時刻カウンタ１９が出力する時刻デ
ータ（相対時刻）を図３のようにソフトデータのページ
８に順次格納する。

【００２０】ソフトウェアデータの格納時に時刻データ
がないと、ハードウェアでのパルスデータのサンプリン
グ周期と、マイクロコンピュータでのデータ検出のサン
プリング周期とは非同期で動作しており、パルスデータ
がマイクロコンピュータのサンプリング周期以上変化し
ない場合（例えば、本例では２００μｓ）には、パリス
データとソフトウェアの時間的整合性がとれなくなる。
そこでソフトウェアデータにもデータ収集時の相対時刻
を合わせて持つことで上記のような場合にも対処できる
ようにしている。

【００２１】故障検知がない場合、前に書かれたデータ
は上書きされる。また、故障検知がある場合、故障検知
信号を受け取ると、まず、図３の管理データすなわち故
障発生時のソフトウェアデータのアドレスカウンタ値，
故障発生時のハードウェアデータのアドレスカウンタ
値，故障発生時刻データを格納してから、所定時間以内
にモニタスタート／ストップレジスタ１５の出力を止め
て、ハードウェア及びソフトウェアの現在のデータの更
新を停止する。そして、ページレジスタ１６の値をイン
クリメントしてハードウェアがゲートパルスデータを格
納するモニタメモリ２０のページをページ２（２回目ハ
ードデータ）に切り替え、かつ、ソフトウェアの書き込
み領域を２回目故障ソフトデータに切り替えた後に、再
びモニタを開始する。

【００２２】以下同様に、故障検知がある場合には、ペ
ージレジスタ１６の値をインクリメントして、順次ハー
ドウェアがゲートパルスデータを格納するモニタメモリ
２０のページをページ３〜７（３〜７回目ハードデー
タ）に切り替え、かつ、ソフトウェアの書き込み領域を
３〜７回目故障ソフトデータに切り替えた後に、再びモ
ニタを開始する。

【００２３】以上のハードウェアによるモニタデータ及
びソフトウェアによるモニタデータは、モニタ再生時
に、図５のように、アドレスを管理するアドレスカウン
タ１８のアドレスカウンタ値に基づいて、例えば、アド
レス（３）のハードウェアデータ＜時刻データｔ(３)，
ゲートパルスデータ(３)＞と、アドレス（３）の時刻デ
ータｔ(３３)及びソフトウェアデータ（１）とリンクし
て、また、アドレス(７)，アドレス（９）についても同
様にリンクして編集し、１回分の故障データとなる。

【００２４】図６に、二つのゲートパルス１，２とモー
タ電流モニタ中に、グリッジの発生によってモータ電流
が過電流に陥り、ゲート故障に至った場合のモニタ結果
の例を示す。ゲートパルスのモニタリングは、クロック
発生器１４の周期（本実施形態では８００ｎｓ）毎に行
っている（図示点線で示す）。

【００２５】本実施形態は、図２において説明したよう
に、ラッチ１１が現サンプリング時刻のパルスデータ
（オン・オフ状態）を、ラッチ１２が前サンプリング時
刻のパルスデータ（オン・オフ状態）をそれぞれ保持
し、コンパレータ１３が両者の値を比較し、値が一致し
た時は何も出力せず、モニタを続け、また、値が一致し
ない時は、ラッチ１１の出力つまりゲートパルスデータ
（現サンプリング時刻のゲートパルスデータ）と、その
時の時刻カウンタ１９が出力する時刻データ（相対時
刻）をモニタメモリ２０に順次格納することから、図６
上段に示すゲートパルス１，２の立上がり，立下がりの
変化点（エッジ）を検出した時にのみ、現サンプリング
時刻のゲートパルスデータ１，２と、その時の時刻デー
タｔ₀〜ｔ₁₃をモニタメモリ２０に格納する。

【００２６】そして、ゲートパルスの変化がないとき
は、モニタデータとしてメモリ２０に格納しない。この
区間のパルスデータは、直前に行われたサンプリング時
のデータと同一とみなされる。従って、時刻データの精
度を上げさえすれば、モニタした複数のゲートパルスは
パルス列中の個々のパルスの時間的な相対位置を変えず
に再生できる。また、ゲートパルスの変化点（エッジ）
のみを検出し、グリッジを検出するための必要最小限の
サンプリングとすることにより、マイクロコンピュータ
の演算数を低減し、モニタ用メモリ容量の低減が図れ
る。また、ソフトウェアがアドレスカウンタ値と各種モ
ニタ信号（電流，電圧等）と故障検知信号及び格納する
時の時刻カウンタ１９が出力する時刻データ（相対時
刻）をモニタメモリに格納している。

【００２７】そこで、モニタメモリ２０に格納されてい
るハードウェアによるモニタデータ及びソフトウェアに
よるモニタデータを再生すると、図６下段のようにな
る。すなわち、図６下段は、時刻ｔ₀〜ｔ₁₃のハードウ
ェアによるモニタデータからゲートパルス１，２と、こ
れらパルスデータと非同期で検出された各種モニタ信号
（例、電流）と故障検知信号が正確に再生され、時刻ｔ
₇においてグリッジが発生し、これによりゲートの誤点
弧が引き起こされ、素子の過電流を招いてゲートの故障
事故が起こったことを示す。そして、ここでは、故障検
知信号を受けた時刻ｔ₇より所定時間以内にモニタを停
止する。

【００２８】このように、本実施形態の故障モニタ装置
により、ゲートパルスを正確に再生すると同時に、故障
検知信号の発生時刻，モニタ信号に異常のあった時刻、
そして、ゲートパルスの観測結果によって、誤点弧があ
ったか否かを正確にかつ速やかに断定でき、その後、適
切な処置を施すことができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
故障検知信号の発生時刻，モニタ信号に異常のあった時
刻、そして、ゲートパルスの観測結果によって、ゲート
パルスに加わる例えば数１０μｓ以下のグリッジをモニ
タし、誤点検があったか否かを正確にかつ速やかに断定
でき、原因追跡時間が大幅に短縮されると共に、その
後、適切な処置を施すことができる。

【００３０】また、ハードウェアとソフトウェアとも各
サンプリング時の時刻データをモニタデータとしてメモ
リに格納することにより、各サンプリングの時間的な相
対位置が明確になり、ゲートパルスを正確にモニタする
ことができる。

【００３１】また、ゲートパルスの変化点（エッジ）で
のみサンプリングしてモニタデータを検出し、グリッジ
を検出するための必要最小限のサンプリングとすること
により、マイクロコンピュータの演算数を低減し、モニ
タ用メモリ容量の低減を図ることができ、経済的なシス
テム構成が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による電力変換器（インバ
ータ）の故障モニタ装置の系統図。

【図２】本発明の故障モニタ装置のハードウェアのブロ
ック図。

【図３】本発明の故障モニタ装置のモニタデータの構造
を示す図。

【図４】本発明の故障モニタ装置のソフトウェアの動作
を示すフローチャート。

【図５】モニタデータ再生方法を説明する図。

【図６】本発明の故障モニタ装置によるモニタ信号の例
を示す特性図。

【図７】従来の故障モニタ装置によるモニタ信号の例を
示す特性図。

【符号の説明】

１…故障モニタ装置、２…ＰＷＭ生成部、３…ゲートド
ライブ、４…スイッチング素子、１１，１２…ラッチ、
１３…コンパレータ、１４…クロック発生器、１５…モ
ニタスタート／ストップレジスタ、１６…ページレジス
タ、１８…アドレスカウンタ、１９…時刻カウンタ、２
０…モニタメモリ、２１…マイクロコンピュータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｍ 7/5395 Ｈ０２Ｍ 7/5395 Ｈ０２Ｐ 7/63 ３０２Ｈ０２Ｐ 7/63 ３０２Ｓ (72)発明者池田尚弘茨城県ひたちなか市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内 (72)発明者作山秀夫茨城県ひたちなか市市毛1070番地株式会社日立製作所水戸工場内Ｆターム(参考） 2G036 AA25 BA39 CA06 5H007 AA04 AA05 AA06 BB06 CA01 CB05 DB03 DB12 DC02 DC05 EA02 FA13 5H576 BB06 BB07 DD04 HA02 HB02 LL22 LL24 MM10 5H740 AA04 AA10 BA11 BB05 BB08 BB10 BC01 BC02 JA01 JA28 JB01 MM01 MM11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のスイッチング素子を各々所定のゲー
トパルスにより駆動する電力変換器において、前記ゲー
トパルスの立上がり，立下がりの変化点（エッジ）を検
出し、エッジ検出時のゲートパルスのオン・オフ状態と
検出時の時刻データと、電力変換器の直流入力電流また
は電圧もしくは出力電流等のモニタ信号と、故障検知信
号とからなるその他のモニタデータと、該その他のモニ
タデータ検出時の時刻データとを、それぞれ所定区間だ
けモニタデータとして順次メモリに格納し、故障事故が
起きた際にモニタデータを再生させることを特徴とする
電力変換器の故障モニタ装置。
【請求項２】複数のスイッチング素子を各々所定のゲー
トパルスにより駆動する電力変換器において、一定周期
のパルスを出力するクロック発生器と、前記クロックの
タイミングに基づいて前サンプリング時刻のゲートパル
スデータと、現サンプリング時刻のゲートパルスデータ
を保持する二つのラッチと、この二つのラッチの出力を
比較し、前記ゲートパルスの立上がり，立下がりの変化
点（エッジ）を検出するコンパレータと、エッジ検出時
の時刻データを生成する時刻カウンタと、前記コンパレ
ータが前記ゲートパルスのエッジを検出した時のゲート
パルスデータと、時刻データ、及び電力変換器の直流入
力電流または電圧もしくは出力電流等のモニタ信号と、
故障検知信号とからなるその他のモニタデータと、該そ
の他のモニタデータ検出時の前記時刻カウンタの時刻デ
ータとを格納するモニタメモリと、モニタ再生時に前記
ゲートパルスデータと、時刻データ、及びその他のモニ
タデータと時刻データをリンクさせるアドレスを管理す
るアドレスカウンタと、これらの動作を制御するマイク
ロコンピュータを有することを特徴とする電力変換器の
故障モニタ装置。